[发明专利]一种基于遗传算法的B样条自由曲面零件结构轻量化方法

说明书

一种基于遗传算法的B样条自由曲面零件结构轻量化方法，传统结构轻量化设计的思想往往是对于曲面零件的长度、宽度、高度以及截面形状等简单参数进行优化或者更换零件的材料实现轻量化，本方法的核心思路是通过B样条思想控制曲面零件截面关键节点位置，再将节点的位置坐标离散化，即用区间表示关键节点的坐标位置，编写遗传算法对曲面零件截面的关键节点区间进行寻优，实现对曲面零件的结构轻量化设计。再将结构轻量化优化设计后的B样条节点传递到ANSYS APDL界面完成三维建模，对轻量化后的曲面零件进行强度校核，若不符合设计要求则回到最初通过修改截面的关键节点走势从而优化零件结构达到优化设计的要求。

技术领域

本发明涉及具有曲面形状零部件的轻量化设计领域，特别涉及一种基于遗传算法的B样条自由曲面零件结构轻量化方法。

背景技术

自由曲面复合材料件在工业领域中随处可见，薄壁件作为曲面零件的重要典型部件，对薄壁件的研究意义深远。传统结构轻量化思想往往是对于曲面零件的长度、宽度、高度以及截面形状等简单参数进行优化或者单一的材料替换，而并未考虑对于曲面形状发生改变这一问题。

发明内容

本发明针对现有零件轻量化仅仅针对其截面形状、长度、宽度等参数优化或者单一的材料替换，而并未考虑对于曲面形状发生改变这一问题，提供一种基于遗传算法的B样条自由曲面零件结构轻量化方法。

一种基于遗传算法的B样条自由曲面零件结构轻量化方法，包括如下步骤：

步骤1，根据曲面零件的截面几何尺寸与B样条思想确定关键节点的坐标；

步骤2，根据所设计零件的结构功能要求，使用坐标区间表示曲面零件截面关键节点的位置，控制零件截面走势；

步骤3，通过遗传算法在坐标区间内自动寻优，得到最终确定的节点位置坐标以及轻量化设计的B样条曲线；

步骤4，将轻量化优化好的B样条曲线导入ANSYSAPDL经典界面中绘制零部件的三维形状；

步骤5，使用经典层合板强度理论，建立关于结构与强度的关系，Tsai-Wu失效准则作为失效判据验证所做设计是否符合蔡吴失效准则要求。

进一步地，步骤3中，通过MATLAB进行遗传算法优化，步骤如下：

步骤3-1，用二进制编码策略，构建关于B样条控制点坐标的随机种群；

步骤3-2，在用B样条曲线对曲面零件建模完成后，在ansys中施加约束与载荷，计算相应的应力；

步骤3-3，应力数值返回MATLAB中，基于适应度进行选择、交叉、变异、重组操作，以此进行遗传算法优化设计。

进一步地，步骤4中MATLAB软件中构建一条完整的B样条曲线的方法如下：

步骤4-1，将B样条曲线上节点坐标输出至txt文件内；

步骤4-2，MATLAB中通过fopen命令打开txt文件，用fprintf命令将节点坐标输入txt文件中，并以fclose命令结束输入；

步骤4-3，在ANSYS软件中，输入txt文件中节点坐标，并以此拟合B样条曲线；

步骤4-4，根据已有B样条曲线通过构建截面形状，并以B样条曲线进行扫略，完后对曲面零件的建模过程。

进一步地，步骤5中，使用经典层合板强度理论，建立关于结构与强度的关系，以Tsai-Wu失效准则作为失效判据，公式为：